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等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。其应用前景目前集中在轻核聚变方面,即利用磁约束等离子体进行持续的核聚变反应。

等离子体物理

简介

等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如:太阳中心区的温度超过一千万度,太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。

发展历史

19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究,推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起,为了利用轻核聚变反应解决能源问题,促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
图书信息

研究方法

等离子体物理学已发展成为物理学的一个内容丰富的新兴分支。由于等离子体种类繁多、现象复杂、而且应用广泛,对这一物质状态的研究,正方兴未艾,从实验、理论、数值计算三个方面,互相结合,向深度和广度发展。
(1) 实验研究 用实验方法研究等离子体有如下特点。
对于天然的等离子体,即天体、空间和地球大气中出现的等离子体,人们不可能用地面上实验室中的一般方法主动地调节实验条件或加以控制,而主要只能通过各种日益增多的天文和空间观测手段,如光学、射电、X射线以及现代的高空飞行器和人造卫星──“空间实验室”,来接收它们所发射的各种辐射(包括各种粒子)。根据大量的观测结果,并在天体物理学和空间物理学的认识基础上,依靠已建立的等离子体物理理论和已有的各项基本实验数据,进行分析和综合,方能深入地认识这些天然等离子体的现象、本质、结构、运动和演化的规律。
要研究或利用各种人造的等离子体,必须先把它们制造出来;而要制造任何一种新的等离子体或者扩展它的性能参量,又往往必须对它先有一定的认识。由此可见,对于人造等离子体,只能采取边制造边研究,研究和制造循环结合、逐步前进的办法。例如,受控核聚变等离子体的研究,就是通过一代又一代的实验装置,来产生具有特定性能的等离子体,逐步提高它们的温度和约束程度。而每一代装置的设计,又必须在已有等离子体实验的基础上,通过理论方面的外推和定量演算,加以确定。特别是较大类型装置的建造,必须立足于各项经过试验的、成熟的工程技术,辅之以必需和能够及时开发出来的单项新技术,例如强流电子束和离子束技术。装置建成后,实验的第一步是使用各种仪器手段,对装置中产生的等离子体进行测量;测量数据要按照已有的理论进行处理,以得出装置中等离子体具体形成过程和现象细节性质的定性和定量的结果,这些就是等离子体诊断学的内容。对实验条件的调节和控制也必需有测量诊断的结果作为依据,然后方可接上现代的信息和控制技术,构成闭环的操作,从而推进实验研究。
实验结果要同参量条件相对应的理论分析进行对比校验,以判定实验及理论的前进方向。等离子体实验的因素复杂多变,难度大,精确度不高,而理论描述又远未完善;实验中意料之外的结果常会出现,而成为理论创新的前导。
(2) 理论描述 包括近似方法和统计方法。
粒子轨道理论和磁流体力学都属于近似方法。粒子轨道理论是把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体,只讨论单个粒子在外加电磁场中的运动特性,而略去粒子间的相互作用,也就是近似地求解粒子的运动方程。这种理论只适用于研究稀薄等离子体。在一定条件下的稠密等离子体,通过每种粒子轨道的确定,也可对等离子体运动作适当的描写,也能提供稠密等离子体的某些性质。不过,由于稠密等离子体具有很强的集体效应,粒子间耦合得很紧,因此这种理论的局限性很大。
流体力学不讨论单个粒子的运动,而是把等离子体当作导电的连续媒质来处理,在流体力学方程中加上电磁作用项,再和麦克斯韦方程组联立,就构成磁流体力学方程组,这是等离子体的宏观理论。它适用于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性等问题,也适用于研究冷等离子体中的波动问题。然而,由于它不考虑粒子的速度空间分布函数,因此,它无法揭示出波粒相互作用和微观不稳定性等一系列细致和重要的性质。
等离子体按其本性是一个含有大量带电粒子的多粒子体系,所以严格的处理方法就是统计方法,即求出粒子分布函数随时间的演化过程。这种理论就是等离子体动力论,也称为等离子体的微观理论。对于波动和微观不稳定性,动力论采用符拉索夫方程来研究。对于弛豫过程和输运问题,动力论采用福克-普朗克方程。
微观理论可以得到宏观理论所得不到的许多知识。例如在波动问题方面,只有动力论才能导出朗道阻尼。至于微观不稳定性,主要讨论速度空间中偏离平衡态所引起的不稳定性,这类问题是宏观理论无法研究的。从动力论方程出发,可以导出磁流体力学的连续方程、动量方程和能量方程。
(3) 数值计算 现有的理论描述中,磁流体力学、符拉索夫方程、福克-普朗克方程都是非线性偏微分方程,包含很多参量,为了求出解析解,物理模型往往过分简化以至无法精确和全面地包罗各种效应,因此数值计算在等离子体研究中的作用越来越大。另外,由于高温等离子体的实验和诊断都较难进行,所以自70年代以来,发展了一种数值实验的方法。就是在大容量的计算机上,用大量粒子来模拟等离子体的运动,以研究它的宏观和微观不稳定性等问题。这已成为一种有力的研究方法。

前景

自20世纪20年代特别是50年代以来,等离子体物理学已发展成为物理学的一个十分活跃的分支。在实验上,已经建成了包括一批聚变实验装置在内的很多装置,发射了不少科学卫星和空间实验室,从而取得大量的实验数据和观测资料。在理论上,利用粒子轨道理论、磁流体力学和动力论已经阐明等离子体的很多性质和运动规律,还发展了数值实验方法。半个多世纪来的巨大成就,使人们对等离子体的认识大大深化;但是一些已提出多年的问题,特别是一些非线性问题如反常输运等尚未得到完善解决,而对天体和空间的观测的进一步开展,以及受控热核聚变和低温等离子体应用研究的发展,又必定会带来更多新的问题。今后一个相当长的时期内,等离子体物理学将继续取得多方面的进展。

基本信息

书 名: 等离子体物理
作 者:郑春开
出版时间: 2009-7-1
ISBN: 9787301154731
开本: 16开
定价: 25.00元

内容简介

本书比较系统地介绍了等离子体物理的基本概念、基本原理和描述问题及处理问题的方法。书中着重突出物理概念和物理原理,也有必要的数学描述和推导。全书共7章,内容包括:聚变能利用和研究进展、等离子体基本性质及相关概念、单粒子轨道理论、磁流体力学、等离子体波、库仑碰撞与输运过程和动理学方程简介。这些内容都是从事核聚变和等离子体物理及相关学科研究人员所必需的,也是进一步学习核聚变与等离子体物理及相关学科专业课程的重要基础。为教学使用和学生学习方便,本书编有附录和习题,供查阅选用。
本书适合于核聚变、等离子体物理、空间物理以及基础和应用等离子体物理方向的高年级本科生、研究生和研究人员使用。

图书目录

第1章 聚变能利用和研究进展
1.1 聚变反应和聚变能
1.聚变反应的发现
2.聚变的燃料资源丰富
3.聚变反应是巨大太阳能的来源
1.2 聚变能利用原理
1.聚变能利用的困难
2.受控热核反应条件——劳森判据与点火条件
1.3 实现受控热核反应的途径
1.磁约束——利用磁场约束等离子体
2.惯性约束——激光核聚变
1.4 磁约束原理及其发展历史
1.磁镜装置
2.环形磁场装置
3.托卡马克装置进展
1.5 惯性约束——激光核聚变
1.激光核聚变发展历史
2.激光核聚变基本原理
3.激光核聚变劳森判据
4.惯性约束激光核聚变的研究进展
1.6 国际热核试验堆(ITER)计划
1.ITER计划形成的历史过程
2.ITER计划目标和主要设计参数
第2章 等离子体基本性质及相关概念
2.1 等离子体与等离子体物理学
1.等离子体
2.2 等离子体的基本性质
1.电荷屏蔽现象与等离子体准电中性
2.等离子体振荡与等离子体振荡频率
3.等离子体的碰撞
4.等离子体的定义
5.等离子体辐射
2.3 等离子体参量与分类
1.等离子体参量
2.等离子体分类
2.4 等离子体的描述方法
1.单粒子轨道描述法
2.磁流体描述法
3.统计描述法
4.粒子模拟法
第3章 单粒子轨道理论
3.1 带电粒子在均匀恒定磁场中的运动
3.2电场引起的漂移
1.电场引起的漂移
2.其他外力引起的漂移
3.3 带电粒子在缓慢变化的电场中的运动
3.4 带电粒子在不均匀磁场中的漂移
1.梯度漂移
2.曲率漂移
3.5 浸渐不变量及其应用
1.磁矩不变性与磁镜约束原理
2.磁镜约束原理
3.纵向不变量J与费米加速
4.地球辐射带与磁通不变量
3.6 带电粒子在环形磁场中的运动
1.带电粒子在简单环形磁场中的漂移
2.磁场的旋转变换
3.托卡马克装置磁场位形和约束原理
第4章 磁流体力学
4.1 速度矩及矩方程
1.速度矩
2.速度矩方程
4.2 等离子体的双流体力学方程
1.连续性方程
2.运动方程
3.能量方程
4.等离子体双流体力学方程组
4.3 磁(单)流体力学方程
1.磁流体力学方程
……
第6章 库仑碰撞与输运过程
第7章 动理学方程简介
附录
习题
主要参考书
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